草原上的伤痕：2024年联盟号一级与逃逸模式对哈萨克斯坦干旱生态系统影响的比较分析

《Fire》：Scars on the Steppe: A Comparative Analysis of Soyuz First Stage and Abort Mode Impacts on Arid Ecosystems in Kazakhstan at 2024

　　

2024年，从拜科努尔航天发射场发射的八枚联盟号运载火箭在哈萨克斯坦中部和北部产生了40个坠落点。在针对所有坠落点的野外作业中，研究人员评估了扰动面积。包含大型碎片的区域平均面积为63 m²，小型碎片散布场的平均面积为11,605 m²。喷气燃料泄漏的最大面积达到125 m²，过氧化氢（H₂O₂）泄漏的最大面积达到196 m²。2024年，由于碎片坠落，总机械扰动面积为6912 m²，总火源效应（pyrogenic impact）面积为1,211,453 m²。在植物生长季的一级坠落点，火灾和H₂O₂泄漏影响的面积显著更大，而极弱机械扰动的面积则更小（p < 0.05）。在泥季，极强机械影响的面积相比冬季和夏季更大（p < 0.002）。与一级坠落点相比，联盟号逃逸模式（Soyuz abort mode, SAM）坠落点呈现出更大的极强机械影响面积（p < 0.02），表现为深坑，以及被大型碎片覆盖的面积更小。所获数据可应用于规划拜科努尔航天发射场的发射日期，以最小化对哈萨克斯坦中部和北部脆弱且恢复缓慢的干旱生态系统产生的负面环境影响。关于扰动面积的信息可用于监测受影响生态系统的自然恢复，并计算2024年火箭和航天活动造成的环境损害。

**论文解读文章**

**研究背景、问题与目的**
航天发射活动依赖多级火箭将有效载荷送入轨道。火箭分离后的废弃部件（如子级、逃逸系统、整流罩等）需降落在指定落区，这是航天发射场的固有组成部分。拜科努尔航天发射场（位于哈萨克斯坦共和国）与其他多数发射场不同，其落区全部位于陆地（而非海洋），这导致火箭残骸降落对陆地生态系统产生直接扰动。目前，关于空间运输扰动空间范围的原始数据仍然有限；相反，许多缺乏专业化现场调查的推测性出版物声称存在大面积影响区（包括燃烧区），造成长期生态系统退化和附近居民健康问题，而基于不可能场景（如年发射次数超过10⁴次，而实际近年平均仅100–150次）的模型研究则得出航天发射具有巨大生态足迹的结论。现有研究对火源效应（植被火灾）的关注低于对化学和机械效应的关注，因为火灾通常被视为干旱植被形成的自然因子；然而，火源效应的扩散范围可能远超散落碎片或推进剂泄漏区。2024年，研究人员从拜科努尔航天发射场发射了八枚联盟号（Soyuz）运载火箭，在哈萨克斯坦中部和北部产生了40个坠落点。本研究旨在评估季节性对联盟号运载火箭分离部件降落直接造成的一次扰动（primary disturbance）发生情况的影响，区分一次（直接）扰动与二次（间接）扰动（如重型机械移除碎片造成的沟辙等），为规划发射日期以减轻生态影响提供实证依据。该成果发表于《Fire》期刊。

**关键技术方法**
研究人员在八次发射后三日内（仅3月31日发射因春季洪水延误至50天后调查）对所有40个坠落点进行实地勘测。主要方法包括：使用Garmin GPSMap 64导航仪（Garmin Ltd., Olathe, Kansas, U.S.）按标准化协议（表1）绘制每类人为扰动的边界和位置；区分并测量六类扰动面积：大型碎片区域（投影覆盖≥1 m²且不可手动移动的金属碎片）、小型碎片散布场（投影覆盖<1 m²的可移动碎片）、喷气燃料泄漏、过氧化氢（H₂O₂）泄漏、机械扰动（按极弱至极强五级严重程度划分，基于土壤结构破坏和植被破坏程度）、火源效应（强火源效应指植被完全烧毁，弱火源效应指大部分植被存活）。利用ArcGIS Pro 3.4.0（Esri, Redlands, California, U.S.）计算每类扰动总面积；采用Mann-Whitney U检验评估样本均值间差异显著性（默认p=0.05，多重校正后p=0.01）。来源地：所有落区分别位于哈萨克斯坦中部乌利套州（U-25落区）和北部科斯塔奈州（120a落区），采样点涵盖冬季、植物生长季（夏季）和泥季三种季节条件。

**研究结果**

**3.1 载人与货运联盟号发射对生态系统影响的比较分析**
与一级组件块（first-stage block）坠落点相比，逃逸模式（SAM）坠落点呈现出被大型碎片覆盖的面积更小（p=0.019），而由爆炸产生的深坑导致的极强机械影响面积更大（p=0.016）。冬季坠落点被排除后，更同质化的数据集仍保持上述差异，且额外发现：由于坑内抛出土块，SAM坠落点的极弱机械影响面积（p=0.021）和总机械影响面积（p=0.027）分别比一级块大147倍和14倍。在载人与货运发射的总体环境影响（按每次发射所有坠落点聚合扰动面积比较）方面未发现显著差异，可能与发射次数较少及单次发射内坠落点间高变异性有关。

**3.2 环境影响的季节内变化**
在一级坠落点植物生长季，受火灾（p<0.001）和H₂O₂泄漏（p=0.049）影响的面积更大，而极弱机械影响面积（p=0.007）及相应的总机械影响面积（p=0.002）更小。泥季与冬季相比，极强和强机械影响面积显著更大（p<0.002）——冬季因土壤冻结未出现此类严重程度机械影响；反之，冬季的极弱和总机械影响面积大于无雪覆盖的泥季和生长季（p<0.002），部分因白色雪地上更容易识别土壤颗粒。夏季的极强机械影响面积小于泥季（p=0.001），可能因土壤干燥及矿物盐胶结作用增强强度；但夏季强机械影响面积大于冬季（p=0.002），表明冻土对干旱土壤的保护优于干燥状态。火源效应面积在生长季（每坠落点≥100 m²）显著大于冬季和泥季（每坠落点≤90 m²，p<0.001）。

**讨论与结论**
本实证研究挑战了“火箭分离部件降落导致广泛生态系统退化”的推测性论断：八次发射造成约1.5 km²的总扰动面积，但其中76%（1.2 km²）由2024年5月30日发射后的一次植被火灾贡献，突出随机性火灾事件对总扰动的主导作用。机械扰动高度局域化且严重程度强烈受季节地面条件调制——冬季冻土提供保护，泥季高含水土壤更易受剪切和压缩力产生深沟，夏季干燥土壤因胶结作用抵抗极强机械力但强机械影响仍存在。火灾在干旱生长季的影响远超预期，夏季火烧面积显著更大（p<0.001）确认了干燥充足地上生物量的高风险性。逃逸模式（SAM）降落造成的极强机械影响（爆炸坑）区别于一级块的碎片散布，表明部件类型（是否爆炸着陆）比任务类型（载人/货运）更决定局部高严重度扰动。总体而言，扰动面积仅占哈萨克斯坦广阔沙漠生态系统的一小部分，且以机械扰动为主，基于干旱生态系统对干旱、火灾、放牧等自然扰动的恢复力，扰动可能具有可恢复性。与模拟高频率发射场景的模型结论形成鲜明对比，本实验数据显示日常航天操作的生态足迹是小规模和地点特异性的；航天机构应关注干旱季节火灾风险和脆弱泥季土壤损伤的针对性预防与监测。

**研究结论部分原文翻译**
2024年，在哈萨克斯坦中部和北部，联盟号运载火箭（一级与逃逸模式）分离部件的大型碎片区域和小型碎片散布场的平均（及标准差）面积分别为63±23 m²和11,605±8,859 m²。喷气燃料和过氧化氢泄漏（最大值）分别发现于125 m²和196 m²。由于碎片坠落，总机械扰动面积为6,912 m²，总火源效应面积为1,211,453 m²。通过跨季节比较40个坠落点的损伤程度和类型，研究人员发现火灾和化学泄漏在植物生长季更为广泛，而机械损伤随其他环境条件变化。在植物生长季的一级坠落点，受火灾和H₂O₂泄漏影响的面积显著更大，而极弱机械扰动面积更小。在泥季，极强机械影响面积相比冬季和夏季更大。与一级坠落点相比，联盟号逃逸模式坠落点以更大的极强机械影响面积（表现为深坑）和更小的大型碎片覆盖面积为特征。在哈萨克斯坦中部和北部的落区，2024年从拜科努尔航天发射场发射的八枚联盟号运载火箭的一级组件块坠落扰动了约1.5 km²。大部分扰动（80%）源自2024年5月30日一个一级组件块坠落引发的广泛植被火灾。两个联盟号逃逸系统扰动了0.041 km²，其中2024年11月21日发射后的一场植被火灾构成了该面积的96%。